(57)【要約】【課題】検出速度の積分方式による位置誤差の蓄積を起こすことなく、超音波モータの特性変動に対しても良好に位置センサレス制御できる。【解決手段】超音波モータの入力電圧が回転子位置に応じて変化することに着目し、入力電圧情報に基づいて回転子位置を直接的に推定する。  インバータ３は位相差をもつ二相電圧で超音波モータ１を駆動し、このときの超音波モータへの入力電圧を電圧センサ６で検出し、位置速度制御装置７は電圧波形と超音波モータの回転子位置との対応関係を二次関数で近似し、この近似式から超音波モータの回転子位置を推定する。  二次関数と回転子位置推定値から求めた入力電圧の推定値と、この推定値と実際の入力電圧との誤差からＰＩ制御器または逐次最小二乗法を用いて二次関数のパラメータをオンライン調整する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波モータの位置センサレス制御方法であって、
位相差をもつ二相電圧で超音波モータを駆動し、このときの超音波モータへの入力電圧の検出波形と超音波モータの回転子位置との対応関係を二次関数で近似し、この近似式から超音波モータの回転子位置を推定し、この推定値を基に超音波モータの回転子位置を制御することを特徴とする超音波モータの位置センサレス制御方法。
【請求項２】
超音波モータの駆動状態で、前記二次関数と超音波モータの回転子位置推定値から求めた前記入力電圧の推定値と、この推定値と実際の入力電圧との誤差からＰＩ制御器を用いて二次関数のパラメータをオンライン調整することを特徴とする請求項１に記載の超音波モータの位置センサレス制御方法。
【請求項３】
超音波モータの駆動状態で、前記二次関数と超音波モータの回転子位置推定値から求めた前記入力電圧の推定値と、この推定値と実際の入力電圧との誤差から逐次最小二乗法を用いて二次関数のパラメータをオンライン調整することを特徴とする請求項１に記載の超音波モータの位置センサレス制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波モータの位置センサレス制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波モータ（Ultrasonic Motor：ＵＳＭ）は、圧電素子の超音波振動力を駆動源とする新しい原理のモータである。小型軽量、低速で高トルク、磁気作用がない、ダイレクトドライブが可能など小型サーボモータとして優れた性能と特徴を有していることから、近年ロボットのアクチュエータや高精密位置決め機器の駆動用モータとして利用されている。
【０００３】
しかし、モータの温度変化および負荷トルク印加に対して速度特性は非線形性を有するため、良好な位置制御を達成するには位置・速度センサを用いる必要がある。しかし、一般に位置・速度センサの使用はシステムのコスト増加、小型化の妨げ、故障時の信頼性の低下などいくつかの問題がある。
【０００４】
本発明は、入力電圧情報に基づく超音波モータの位置センサレス制御方法を提案するものである。
【０００５】
これまでにニューラルネットワーク（Neural network：ＮＮ）を用いた超音波モータの速度センサレス制御が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。この手法では強い非線形性を有する超音波モータの速度特性をニューラルネットワークを用いてオフライン学習させることで同定し、回転子速度を推定することで、負荷トルク印加及びモータ温度変化に対して対応可能な速度センサレス制御系を構成している。
【非特許文献１】千住智信、吉田知洋、上里勝美、Ｓ.Ｋ.Ｐａｎｄａ：「ニューラルネットワークを用いた超音波モータの速度センサレス制御」、電子情報通信学会技報、vol.103,no.152,pp.17-22,2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記非特許文献では速度センサレス制御系を実現しているが、位置センサレス制御は実現できていない。
【０００７】
この方法において、位置センサレス制御には、ニューラルネットワークより推定した回転子速度を積分することで推定位置を求める方法が考えられるが、位置誤差の蓄積、オンラインによるパラメータ調整が困難などいくつかの問題点がある。
【０００８】
本発明の目的は、検出速度の積分方式による位置誤差の蓄積を起こすことなく、超音波モータの特性変動に対しても良好に位置センサレス制御する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、超音波モータの入力電圧が回転子位置に応じて変化することに着目し、入力電圧情報に基づいて回転子位置を直接的に推定し、位置誤差の蓄積の問題を解消する。また、本発明は、回転子位置の推定は二次関数によるフイッティングを用いるが、二次関数のパラメータをオンライン調整することで、パラメータ変動に対応できるため、負荷トルク印加、モータ温度変化による超音波モータの特性変動に対しても良好な位置センサレス制御を実現するもので、以下の装置および方法を特徴とする。
【００１０】
（１）超音波モータの位置センサレス制御方法であって、
位相差をもつ二相電圧で超音波モータを駆動し、このときの超音波モータへの入力電圧の検出波形と超音波モータの回転子位置との対応関係を二次関数で近似し、この近似式から超音波モータの回転子位置を推定し、この推定値を基に超音波モータの回転子位置を制御することを特徴とする。
【００１１】
（２）超音波モータの駆動状態で、前記二次関数と超音波モータの回転子位置推定値から求めた前記入力電圧の推定値と、この推定値と実際の入力電圧との誤差からＰＩ制御器を用いて二次関数のパラメータをオンライン調整することを特徴とする。
【００１２】
（３）超音波モータの駆動状態で、前記二次関数と超音波モータの回転子位置推定値から求めた前記入力電圧の推定値と、この推定値と実際の入力電圧との誤差から逐次最小二乗法を用いて二次関数のパラメータをオンライン調整することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
以上のとおり、本発明によれば、超音波モータの入力電圧が回転子位置に関係して変化することに着目し、入力電圧情報に基づいて回転子位置の推定を行うようにしたため、直接的に回転子位置を推定を行うことができ、位置誤差の蓄積の問題は生じず、良好に位置センサレス制御を実現できる。
【００１４】
また、回転子位置の推定は二次関数によるフィッティングを用いて行われるが、二次関数のパラメータをオンライン調整することで、パラメータ変動に対応できるため、負荷トルク印加、モータ温度変化による超音波モータの特性変動に対しても良好に位置センサレス制御を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の実施形態を示す超音波モータの駆動システム構成図である。この超音波モータの設計仕様例として、進行波型のものを下記の表１に示す。
【００１６】
【表１】
2005168112.tif 000003
【００１７】
超音波モータ１はその負荷とするパウダブレーキ２にカップリングによって直結される。二相インバータ３は、超音波モータ１に位相差φの二相電圧ＶA，ＶBを印加する。図２は二相インバータの出力電圧波形例を示し、周波数ｆで位相差φをもつ二相電圧ＶA，ＶBを示す。電圧センサ６は、電圧ＶAの電圧および位相を検出する。
【００１８】
位置速度制御装置７は、例えばパーソナルコンピュータを中枢部とし、位置速度推定演算のソフトウェアを搭載し、さらにアナログ方式またはディジタル方式のＰＩ制御器を搭載し、必要に応じてディジタル入出力回路（ＤＩ．ＤＯ回路）と、アナログ入力電圧をサンプリングおよびディジタル値に変換するためのＡ／Ｄ変換器などを搭載する。
【００１９】
ドライバ８は、位置速度制御装置７の位置速度制御出力になる周波数ｆと位相差φの信号に応じて、インバータ３の各半導体スイッチＳ1〜Ｓ4のオン・オフドライブ信号を出力する。
【００２０】
ここで、超音波モータ１の回転子速度は、直流リンク電圧制御、駆動周波数ｆの制御、印加電圧位相差φの制御によって制御できる。
【００２１】
本実施形態では位置センサレス制御を容易にするため、直流リンク電圧、駆動周波数ｆ、印加電圧位相差φは一定として超音波モータ１を駆動し、超音波モータ１を停止させる場合は印加電圧位相差φを零にすることで位置センサレス制御を行う。
【００２２】
次に、超音波モータの回転子位置及び入力電圧特性について説明する。まず、図１の構成において、インバータ３の直流電圧７０Ｖ、駆動周波数４１.５ｋＨZ、印加電圧位相差０.７ｒａｄに一定にしたときの回転子位置及び入力電圧特性を図３に示す。同図は、超音波モータの入力電圧が最大値を示す点を回転子位置の基準（０ｒａｄ）としたときの各負荷トルクＴLに対する４回の駆動波形である。図３より、超音波モータの回転子位置の周期と入力電圧の周期が良く一致することがわかる。さらに、この特性は再現性を有しており、入力電圧情報を利用することで回転子位置推定を行うことができる。
【００２３】
なお、超音波モータの速度特性はモータ温度の変化に大きな影響を受けるが、速度特性が変化した場合でも、超音波モータの回転子位置の周期と入力電圧の周期は良く一致する。また、超音波モータ１はカップリングによってパウダーブレーキ２と直結されているため、カップリングの影響により図３に示す電圧特性が現われた可能性があるため、カップリングなしの状態で超音波モータの入力電圧波形を観測したが同様な特性を示した。また、使用されていない新しいモータでもこの特性が現われることを確認している。
【００２４】
次に、回転子位置推定法について説明する。
【００２５】
（１）入力電圧及びＰＩ制御器によるパラメータ調整
本手法は、回転子位置推定は二次関数ｙ＝ａｘ2＋ｂを用いて行う。なお、ｙは超音波モータの入力電圧、ｘは超音波モータの回転子位置を示す。
【００２６】
入力電圧値からパラメータａ，ｂを求め、二次関数と入力電圧値をフィッティングさせる。図４に二次関数と入力電圧のフィッティングの一例を示す。二次関数を用いてフィッティングを行うため、電圧波形は−π［ｒａｄ］シフトさせた波形となる。
【００２７】
次式のようにフィッティングを行った二次関数をｘについて解き、π［ｒａｄ］シフトさせることで回転子位置の推定を行うことができる。
【００２８】
【数１】
2005168112.tif 000004
【００２９】
次に、二次関数のパラメータａ，ｂの求め方を説明する。まず、超音波モータの駆動において、入力電圧が最小値を示す点を回転子位置の基準［０ｒａｄ］として超音波モータの試験駆動を行う。
【００３０】
図４（ａ）、図４（ｂ）より、入力電圧が最大値の点で回転子位置はおよそπ［ｒａｄ］となり入力電圧が最小値の点で０及び２π［ｒａｄ］を示す。この特性を利用することで、入力電圧と二次関数のフィッティングにおいて、ｂ＝入力電圧の最大値であり、ａ＝（最小値一最大値）／π2として求めることができる。
【００３１】
この方法によれば、入力電圧情報から直接的にパラメータａ，ｂを求めることができるため、良好に回転子位置推定を行うことができ、電圧値が変化した場合でも対応できる。しかし、この方法は電圧値が最大値付近を通過するときのみ、二次関数のパラメータａ．ｂを調整させるため、常にパラメータ調整を行うことができないという欠点がある。
【００３２】
二次関数のパラメータａ，ｂを常に調整可能とする方法として、回転子位置推定値およびパラメータａ，ｂを用いてｙ＝ａｘ2＋ｂ（この式でのｙ，ｘは推定値）から求めた入力電圧の推定値ｙと実際の入力電圧との誤差からＰＩ制御器を用いてパラメータａ，ｂを調整する。最終的なパラメータａ，ｂの調整則は次式となる。
【００３３】
【数２】
2005168112.tif 000005
【００３４】
ここで、ａdirectは入力電圧の最小値・最大値より求めたパラメータａであり、ａPIはＰＩ制御器より求めたパラメータａである。パラメータｂも同様に求めることができる。
【００３５】
ＰＩ制御器によるパラメータ調整は次式で行う。
【００３６】
【数３】
2005168112.tif 000006
【００３７】
ここで、ｋp＝０.０３，ｋi＝０.０１はそれぞれ比例ゲイン、積分ゲインである。図５、図６は直流電源電圧７０Ｖ、駆動周波数４１.５ｋＨｚ、印加電圧位相差０.７ｒａｄとし、ＰＩ制御器によるパラメータ調整を用いた回転子位置推定の実験結果である。ここで、（ａ）は回転子位置、（ｂ）は入力電圧、（ｃ）は二次関数のパラメータａ、（ｄ）は二次関数のパラメータｂ、（ｅ）は回転子位置対入力電圧を示している。図より入力電圧情報に基づく回転子位置推定は無負荷、負荷トルク印加時（定格負荷の３２％）の場合でも良好に行えることがわかる。
【００３８】
（２）入力電圧及び最小二乗法によるパラメータ調整
本手法は、二次関数のパラメータａ，ｂを常に調整可能とする方法として、逐次最小二乗法（ＲＬＳ法：Recursively Least Square Method）を用いて位置推定のための二次関数のパラメータを推定する。最小二乗法による未知パラメータの同定は、次の評価関数を最小にするパラメータベクトルθを求めることである。
【００３９】
【数４】
2005168112.tif 000007
【００４０】
ただし、θ，ｚT（ｋ）は以下のベクトルである。
【００４１】
【数５】
2005168112.tif 000008
【００４２】
（４）式において、β（０＜β≦１）は忘却係数であり、βの値を小さくすることでパラメータ同定の収束が速くなり、時変パラメータに対して同定アルゴリズムは有効となる。しかし、βの値が小さすぎると雑音に対して敏感になる。本実験ではβ＝０.８とした。
【００４３】
（４）式において、∂Ｊ／∂θ＝０とおいてθの推定値を求めると最終的に次式を得る。
【００４４】
【数６】
2005168112.tif 000009
【００４５】
上式は逐次最小二乗法のアルゴリズムとなる、
ＰＩ制御器の場合と同様に、最終的なパラメータａ，ｂの調整則は次式となる。
【００４６】
【数７】
2005168112.tif 000010
【００４７】
ここで、ａdirectは入力電圧の最小値・最大値より求めたａであり、ａRLSは逐次最小二乗法より求めたパラメータａである。ｂも同様に求めることができる。
【００４８】
図７、図８は逐次最小二乗法によるパラメータ調整を用いた回転子位置推定の実験結果である。図より入力電圧情報に基づく回転子位置推定は無負荷、負荷トルク印加時（定格負荷の３２％）の場合でも良好に行えることがわかる。
【００４９】
表２に前記までの回転位置推定法の（１）と（２）の性能比較を示す。同表は、同条件でそれぞれ５回の実験を行い、その絶対値平均誤差を計算したものであるが、逐次最小二乗法を用いた場合の方が誤差が小さい。
【００５０】
【表２】
2005168112.tif 000011
【００５１】
逐次最小二乗法を用いて回転子位置センサレス制御の実験を行った。図９に回転子位置センサレス制御結果を示す。センサレス制御において回転子位置推定値が指令値と等しくなったとき、制御入力を零とし超音波モータの回転を停止する、図より指令値と実際値、推定位置は良く一致しており、良好な位置センサレス制御が行えることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態を示す超音波モータの駆動システム構成図。
【図２】二相インバータ出力電圧波形例。
【図３】各負荷に対する回転子位置及び入力電圧特性。
【図４】パラメータ同定の根拠となる特性。
【図５】回転子位置推定結果（無負荷）。
【図６】回転子位置推定結果（負荷ＴL＝０.１０Ｎｍ）。
【図７】回転子位置推定結果（無負荷）。
【図８】回転子位置推定結果（負荷ＴL＝０.１０Ｎｍ）。
【図９】回転子位置センサレス制御結果（無負荷）。
【符号の説明】
【００５３】
１  超音波モータ
２  パウダーブレーキ（負荷）
３  二相インバータ
６  電圧センサ
７  位置速度制御装置
８  ドライバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005168112.tif 000016
【図６】
2005168112.tif 000017
【図７】
2005168112.tif 000018
【図８】
2005168112.tif 000019
【図９】
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